空調(diào)運(yùn)行負(fù)荷預(yù)測(cè)方法的研究綜述

王鐘敏

【摘要】：空調(diào)運(yùn)行負(fù)荷預(yù)測(cè)是空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化控制的關(guān)鍵技術(shù)。為了充分了解該領(lǐng)域內(nèi)已有的研究成果，開(kāi)展更深入的探索和應(yīng)用研究，本文對(duì)空調(diào)負(fù)荷預(yù)測(cè)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析總結(jié)。簡(jiǎn)述運(yùn)行階段空調(diào)負(fù)荷預(yù)測(cè)的概念和意義，將其與設(shè)計(jì)階段負(fù)荷預(yù)測(cè)進(jìn)行比較，闡明空調(diào)運(yùn)行負(fù)荷預(yù)測(cè)的特點(diǎn)。對(duì)比分析預(yù)測(cè)理論的黑箱方法和白箱方法，指出空調(diào)運(yùn)行負(fù)荷預(yù)測(cè)的適用方法和關(guān)鍵問(wèn)題。綜述目前空調(diào)運(yùn)行負(fù)荷預(yù)測(cè)模型的建模方法和影響因素，比較各種建模方法的優(yōu)缺點(diǎn)，探討了影響因素的選取和作用。指出現(xiàn)有研究的不足之處，提出有效利用建模的新技術(shù)、重視負(fù)荷的內(nèi)在因素分析、加強(qiáng)模型的自適應(yīng)研究是未來(lái)空調(diào)運(yùn)行負(fù)荷預(yù)測(cè)的發(fā)展方向。

【關(guān)鍵詞】：空調(diào)系統(tǒng)；負(fù)荷預(yù)測(cè)；運(yùn)行階段；空調(diào)運(yùn)行負(fù)荷；預(yù)測(cè)方法

引言

空調(diào)運(yùn)行負(fù)荷預(yù)測(cè)是指在建筑運(yùn)行階段，對(duì)未來(lái)時(shí)刻空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行所需要的冷熱量進(jìn)行短期預(yù)測(cè)。其目的是為空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化控制服務(wù)，以預(yù)測(cè)的負(fù)荷分布為基礎(chǔ)，確定最優(yōu)的運(yùn)行工況或設(shè)定點(diǎn)，制定最佳的空調(diào)運(yùn)行策略，保證空調(diào)房間的舒適性和空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的節(jié)能性。

1、運(yùn)行階段與設(shè)計(jì)階段負(fù)荷預(yù)測(cè)的區(qū)別

1.1預(yù)測(cè)目的不同

設(shè)計(jì)階段的空調(diào)負(fù)荷預(yù)測(cè)是為了合理選擇空調(diào)系統(tǒng)方案。是否能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)建筑空調(diào)負(fù)荷，對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)備容量選擇、管路尺寸和系統(tǒng)投資都有很大的影響，同時(shí)關(guān)系到建筑物實(shí)際運(yùn)行能耗和舒適性水平。運(yùn)行階段的負(fù)荷預(yù)測(cè)是為了優(yōu)化空調(diào)系統(tǒng)的控制策略。目前，大部分負(fù)荷預(yù)測(cè)是為了優(yōu)化控制冰蓄冷系統(tǒng)，但是也有負(fù)荷預(yù)測(cè)是為了優(yōu)化控制冷水機(jī)組、變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)。預(yù)測(cè)未來(lái)時(shí)刻空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷，目的是根據(jù)負(fù)荷分布確定最優(yōu)的運(yùn)行工況、設(shè)定點(diǎn)，制定合理的空調(diào)運(yùn)行策略，以室內(nèi)舒適度為前提條件，保證空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

1.2預(yù)測(cè)對(duì)象不同

在設(shè)計(jì)階段，空調(diào)負(fù)荷預(yù)測(cè)是對(duì)傳統(tǒng)理論的空調(diào)負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)，即“設(shè)計(jì)負(fù)荷”。通常預(yù)測(cè)所取的室外氣象條件為典型氣象年，空調(diào)系統(tǒng)為了維持空調(diào)房間的溫濕度，需要從空調(diào)房間帶走的冷熱量。在運(yùn)行階段，空調(diào)負(fù)荷預(yù)測(cè)與理論計(jì)算負(fù)荷不同，而是系統(tǒng)提供給用戶末端的供冷量，這里我們稱為“空調(diào)運(yùn)行負(fù)荷”。比如為了優(yōu)化冰蓄冷系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，預(yù)測(cè)對(duì)象是“制冷系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷”，即制冷系統(tǒng)提供給空調(diào)水系統(tǒng)的冷熱量；而用于優(yōu)化變風(fēng)量系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，預(yù)測(cè)對(duì)象應(yīng)為“空調(diào)機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷”，即空調(diào)機(jī)組提供給空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)的冷熱量?？照{(diào)運(yùn)行負(fù)荷與理論的空調(diào)房間負(fù)荷一般不同，由于管網(wǎng)的滯后性和設(shè)備的控制調(diào)節(jié)影響，兩者在時(shí)間和量上具有不匹配性。

1.3影響因素不同

在設(shè)計(jì)階段，可以獲得具體的建筑設(shè)計(jì)參數(shù)，負(fù)荷預(yù)測(cè)的影響因素能夠考慮得非常詳細(xì)，包括影響空調(diào)房間負(fù)荷的所有參數(shù)，如建筑物理參數(shù)、室外氣象環(huán)境、室內(nèi)環(huán)境參數(shù)以及建筑使用參數(shù)等。在運(yùn)行階段，由于空調(diào)運(yùn)行負(fù)荷比空調(diào)房間負(fù)荷更為復(fù)雜，除了考慮空調(diào)房間負(fù)荷的影響因素之外，還應(yīng)考慮到空調(diào)系統(tǒng)的熱容量、時(shí)間延遲、運(yùn)行調(diào)節(jié)以及建筑的實(shí)際使用等影響因素。

2、空調(diào)運(yùn)行負(fù)荷預(yù)測(cè)研究的關(guān)鍵問(wèn)題

2.1建模工作量大

對(duì)于每個(gè)建筑，應(yīng)用能耗模擬軟件建模要花費(fèi)大量時(shí)間，輸入大量參數(shù)，建模工作繁瑣。并且，軟件專業(yè)性太強(qiáng)，很難被運(yùn)行管理人員所掌握，輸入?yún)?shù)的細(xì)微差別也可能會(huì)導(dǎo)致負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果有很大差異。

2.2影響參數(shù)獲取困難

建筑仿真建模需要輸入大量參數(shù)，但在實(shí)際運(yùn)行中很難獲取所有影響因素。譬如，利用EnergyPlus預(yù)測(cè)能耗，氣象參數(shù)需要20余種，在實(shí)際中很難實(shí)時(shí)測(cè)量這些數(shù)據(jù)。此外，在建筑的運(yùn)行階段，很多項(xiàng)目的設(shè)計(jì)圖紙、技術(shù)資料存在丟失現(xiàn)象，由于設(shè)計(jì)參數(shù)不全，建立準(zhǔn)確的仿真模型是非常困難的。

2.3預(yù)測(cè)與實(shí)際很難吻合。在仿真建模中，設(shè)計(jì)

者根據(jù)自身對(duì)問(wèn)題的理解，進(jìn)行了不同程度的假設(shè)和簡(jiǎn)化，會(huì)產(chǎn)生一定誤差。例如，在模擬建筑曲面的時(shí)候，通常會(huì)“以直代曲”。此外預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)為空調(diào)房間負(fù)荷，而不是空調(diào)運(yùn)行負(fù)荷，沒(méi)有考慮管網(wǎng)水蓄熱造成的滯后、控制調(diào)節(jié)產(chǎn)生的延遲等問(wèn)題，從而造成模擬結(jié)果與實(shí)際很難相符，很難達(dá)到運(yùn)行調(diào)節(jié)要求。

3、空調(diào)運(yùn)行負(fù)荷預(yù)測(cè)模型的建模方法

3.1時(shí)間序列法

空調(diào)負(fù)荷可以按一定時(shí)間間隔進(jìn)行測(cè)量和記錄，形成一個(gè)有序的時(shí)間序列集合。時(shí)間序列方法就是利用負(fù)荷時(shí)間序列建立數(shù)據(jù)模型，來(lái)預(yù)測(cè)建筑未來(lái)時(shí)刻的空調(diào)負(fù)荷，屬于趨勢(shì)預(yù)測(cè)法。傳統(tǒng)的時(shí)間序列分析方法主要是基于線性模型的研究，將時(shí)間序列看成一個(gè)隨機(jī)過(guò)程，對(duì)其進(jìn)行概率數(shù)理統(tǒng)計(jì)，其理論與方法已基本趨于完善和成熟，可以分為平穩(wěn)時(shí)間序列分析和非平穩(wěn)時(shí)間序列分析兩大類(lèi)。平穩(wěn)時(shí)間序列分析包括自回歸模型（AR模型）、滑動(dòng)平均模型（MA模型）、自回歸滑動(dòng)平均模型（ARMA模型）；非平穩(wěn)時(shí)間序列分析包括差分自回歸滑動(dòng)平均模型（ARIMA模型）、季節(jié)模型（Season模型）等。

3.2人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是模仿人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行學(xué)習(xí)和處理問(wèn)題的智能信息處理理論，它由大量具有處理功能的神經(jīng)元和連接神經(jīng)元的權(quán)值構(gòu)成非線性系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)與人腦相似的學(xué)習(xí)、記憶、識(shí)別等信息處理功能，能夠解決復(fù)雜的、不確定性的、非線性的問(wèn)題。

3.3組合預(yù)測(cè)法

由于傳統(tǒng)預(yù)測(cè)方法和人工智能預(yù)測(cè)方法都有不足之處，為了盡可能地提高預(yù)測(cè)精度，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者開(kāi)始探究組合預(yù)測(cè)法，即采用2種以上不同方法建立負(fù)荷預(yù)測(cè)模型。

結(jié)語(yǔ)

建筑運(yùn)行階段空調(diào)負(fù)荷預(yù)測(cè)是空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化控制的基礎(chǔ)，是隨著空調(diào)系統(tǒng)復(fù)雜化和節(jié)能減排的需求發(fā)展起來(lái)的，對(duì)實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行有重要意義。運(yùn)行階段空調(diào)負(fù)荷預(yù)測(cè)與設(shè)計(jì)階段負(fù)荷預(yù)測(cè)顯著不同，預(yù)測(cè)對(duì)象并非是理論上的空調(diào)房間負(fù)荷，而是滿足空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行所提供的實(shí)際冷熱量，因此影響因素更為復(fù)雜，預(yù)測(cè)精度要求更高。

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